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到目前為止，我們已經回顧了構建數位電子計算機的前三種嘗試：阿塔納索夫-貝裡 ABC 計算機，由約翰·阿塔納索夫構想； 由湯米·弗勞爾斯 (Tommy Flowers) 和賓夕法尼亞大學摩爾學院 (ENIAC) 領導的英國巨人計畫 (British Colossus) 計畫。 事實上，所有這些項目都是獨立的。 儘管 ENIAC 計畫的主要推動者約翰·莫奇利 (John Mauchly) 知道阿塔納索夫的工作，但 ENIAC 的設計與 ABC 沒有任何相似之處。 如果電子計算設備有一個共同的祖先的話，那就是不起眼的韋恩-威廉姆斯計數器，它是第一個使用真空管進行數字存儲的設備，並讓阿塔納索夫、弗勞爾斯和莫奇利走上了創造電子計算機的道路。
然而，這三台機器中只有一台在隨後的事件中發揮了作用。 ABC 從未製作過任何有用的作品，而且總的來說，知道它的少數人已經忘記了它。 事實證明，這兩台戰爭機器的性能優於現有的所有其他計算機，但即使在擊敗德國和日本之後，巨像仍然處於秘密狀態。 只有 ENIAC 變得廣為人知，並因此成為電子運算標準的持有者。 現在，任何想要創建基於真空管的計算設備的人都可以透過摩爾學派的成功來得到證實。 1945 年之前，工程界對所有此類項目抱持著根深蒂固的懷疑態度，但現在已經消失了。 懷疑論者要麼改變主意，要麼保持沉默。
愛達克報告
該文件於 1945 年發布，基於創建和使用 ENIAC 的經驗，為二戰後世界電腦技術的方向定下了基調。 它被稱為“EDVAC（電子離散變量自動計算機）報告初稿”，並為第一台現代意義上的可編程計算機（即執行從高速存儲器檢索的指令）的架構提供了模板。 儘管其中列出的想法的確切起源仍然存在爭議，但它是用數學家的名字簽署的 （出生於亞諾斯·拉霍斯·諾伊曼）。 這篇論文也首次嘗試從特定機器的規格中抽像出電腦的設計，這反映了數學家的典型思維。 他試圖將電腦結構的本質與其各種可能和隨機的化身分開。
馮諾依曼出生於匈牙利，經由普林斯頓（新澤西州）和洛斯阿拉莫斯（新墨西哥州）來到 ENIAC。 1929 年，作為一位對集合論、量子力學和博弈論做出顯著貢獻的年輕數學家，他離開歐洲前往普林斯頓大學任職。 四年後，附近的高等研究院 (IAS) 為他提供了終身教職。 由於納粹主義在歐洲的興起，馮諾依曼高興地抓住了無限期留在大西洋彼岸的機會，並在事後成為第一批來自希特勒歐洲的猶太知識難民之一。 戰後，他感嘆道：“我對歐洲的感情與懷舊相反，因為我所知道的每個角落都讓我想起一個消失的世界和無法帶來安慰的廢墟”，並回憶起“我對歐洲人民的人性感到徹底失望」。1933 年至 1938 年期間。”
馮·諾依曼對年輕時迷失的多民族歐洲感到厭惡，他將自己所有的智慧用於援助屬於庇護他的國家的戰爭機器。 在接下來的五年裡，他走遍了全國，為各種新武器項目提供建議和諮詢，同時設法與人合著了一本關於博弈論的多產書籍。 作為顧問，他最秘密和最重要的工作是他在曼哈頓計劃中的職位 - 試圖製造原子彈 - 其研究團隊位於洛斯阿拉莫斯（新墨西哥州）。 1943 年夏天，羅伯特·奧本海默 (Robert Oppenheimer) 招募他來幫助進行該專案的數學建模，他的計算說服了團隊的其他成員轉向向內發射炸彈。 由於炸藥將可裂變材料向內移動，這樣的爆炸將實現自我維持的鍊式反應。 因此，需要進行大量計算才能在所需壓力下實現向內的完美球形爆炸——任何錯誤都會導致鍊式反應中斷和炸彈慘敗。
馮·諾依曼在洛斯阿拉莫斯工作時
在洛斯阿拉莫斯，有一個由二十名人類計算器組成的小組，他們可以使用桌上型計算器，但他們無法應付計算負載。 科學家為他們提供了 IBM 的設備來處理穿孔卡，但他們仍然跟不上。 他們要求 IBM 改進設備，並在 1944 年收到了它，但仍然跟不上。
那時，馮·諾依曼在他的定期越野巡航中增加了另一組地點：他參觀了洛斯阿拉莫斯可能有用的電腦設備的每個可能位置。 他給國防研究委員會（NDRC）應用數學部負責人沃倫·韋弗（Warren Weaver）寫了一封信，並得到了幾條很好的線索。 他去哈佛考察了馬克一號，但他已經滿腦子都是海軍的工作。 他與喬治·斯蒂比茨進行了交談，並考慮為洛斯阿拉莫斯訂購一台貝爾中繼計算機，但在了解需要多長時間後放棄了這個想法。 他拜訪了哥倫比亞大學的一個小組，該小組在華萊士·埃克特(Wallace Eckert) 的指導下將多台IBM 電腦整合到一個更大的自動化系統中，但與洛斯阿拉莫斯現有的IBM 計算機相比，沒有明顯的改進。
然而，韋弗並沒有在他給馮諾依曼的清單中包括一個項目：ENIAC。 他當然知道這一點：身為應用數學主任，他負責監控國家所有計算項目的進展。 韋弗和國家發展委員會當然可能對 ENIAC 的可行性和時機有所懷疑，但令人驚訝的是他甚至沒有提到它的存在。
不管出於什麼原因，結果是馮諾依曼只是在一次鐵路月台的偶遇才知道了ENIAC。 這個故事是由摩爾學院測試實驗室的聯絡員赫爾曼·戈爾茨坦講述的，ENIAC 就是在該實驗室建造的。 1944 年XNUMX 月，戈爾茨坦在阿伯丁火車站遇到了馮諾依曼，當時馮諾伊曼正要離開去參加一次諮詢，當時他是阿伯丁彈道研究實驗室科學顧問委員會的成員。 戈德斯坦知道馮諾依曼偉人的聲譽，並與他進行了交談。 為了給人留下深刻的印象，他忍不住提到了費城正在開發的一個新的有趣的項目。 馮·諾依曼的態度立即從一個自滿的同事變成了一個強硬的控制者，他向戈德斯坦提出了與新電腦細節相關的問題。 他為洛斯阿拉莫斯找到了一個有趣的新的潛在電腦能力來源。
1944 年 XNUMX 月，馮·諾依曼首次拜訪了 Presper Eckert、John Mauchly 和 ENIAC 團隊的其他成員。他立即愛上了這個項目，並在他長長的諮詢組織清單中添加了另一個項目。 雙方都因此受益。 很容易理解為什麼馮諾依曼被高速電子運算的潛力所吸引。 ENIAC 或類似的機器有能力克服阻礙曼哈頓計劃和許多其他現有或潛在項目進展的所有計算限制（然而，薩伊定律至今仍然有效，確保了計算能力很快就會對它們產生同等的需求）。 對摩爾學派來說，馮諾依曼這樣一位公認的專家的加持意味著對他們的懷疑的結束。 而且，鑑於他敏銳的智慧和遍布全國的豐富經驗，他在自動計算領域知識的廣度和深度是無與倫比的。
這就是馮諾依曼參與埃克特和莫奇利創建 ENIAC 繼任者計畫的方式。 他們與赫爾曼·戈德斯坦和另一位ENIAC 數學家阿瑟·伯克斯一起開始草擬第二代電子計算機的參數，馮·諾依曼在“初稿”報告中總結了這個小組的想法。 新機器必須更強大，具有更平滑的線條，最重要的是，克服使用ENIAC 的最大障礙- 每項新任務需要花費數小時進行設置，在此期間，這台功能強大且極其昂貴的計算機只是閒置。 最新一代機電機器哈佛馬克一號和貝爾繼電器計算機的設計者透過使用打孔紙帶將指令輸入計算機來避免這種情況，以便操作員可以在機器執行其他任務時準備紙張。 然而，這種數據輸入會抵消電子設備的速度優勢； 沒有任何一家報紙能夠像 ENIAC 接收資料一樣快速地提供資料。 （「Colossus」使用光電感測器處理紙張，其五個計算模組中的每一個都以每秒 5000 個字元的速度吸收數據，但這要歸功於紙帶的最快滾動。前往紙帶上的任意位置磁帶每0,5 行需要5000. XNUMX 秒的延遲）。
「初稿」中描述的該問題的解決方案是將指令的儲存從「外部記錄媒體」移至「記憶體」——這個詞首次用於與電腦資料儲存相關的領域（馮諾依曼）在工作中特別使用了這個和其他生物學術語——他對大腦的工作和神經元中發生的過程非常感興趣）。 這個想法後來被稱為「程式儲存」。 然而，這立即導致了另一個問題——甚至讓阿塔納索夫也感到困惑——電子管的成本過高。 「初稿」估計，一台能夠執行廣泛計算任務的電腦將需要 250 個二進制數的記憶體來儲存指令和臨時資料。 這種尺寸的電子管記憶體將花費數百萬美元，而且完全不可靠。
埃克特提出了解決這一困境的方法。埃克特在 1940 世紀 XNUMX 年代初根據摩爾學院和美國雷達技術中央研究中心麻省理工學院 Rad 實驗室之間的合約從事雷達研究。 具體來說，埃克特正在開發一種名為「移動目標指示器」（MTI）的雷達系統，該系統解決了「地面耀斑」問題：建築物、山丘和其他靜止物體在雷達螢幕上產生的任何噪音，使雷達難以識別。操作員隔離重要資訊－移動飛機的大小、位置和速度。
MTI 使用一種名為「MTI」的裝置解決了耀斑問題 。 它將雷達的電脈衝轉換為聲波，然後將這些波發送到水銀管中，以便聲音到達另一端，並在雷達重新掃描天空中的同一點時轉換回電脈衝（延遲線）聲音也可以被其他介質用於傳播：其他液體、固體晶體甚至空氣（根據一些消息來源，他們的想法是由貝爾實驗室物理學家威廉·肖克利發明的，後來關於他）。 與管道上的訊號同時到達的任何來自雷達的訊號都被視為來自靜止物體的訊號並被刪除。
埃克特意識到延遲線中的聲音脈衝可以被視為二進制數 - 1 表示聲音存在，0 表示聲音不存在。 一根水銀管可以包含數百個這樣的數字，每個數字每毫秒通過線路幾次，這意味著電腦必須等待幾百微秒才能存取該數字。 在這種情況下，存取手機中的連續數字會更快，因為數字之間僅相隔幾微秒。
英國EDSAC計算機中的水銀延遲線
在解決了電腦設計的主要問題後，馮諾依曼於 101 年春天將整個小組的想法彙編成一份 1945 頁的「初稿」報告，並將其分發給第二代 EDVAC 計畫的關鍵人物。 很快他就進入了其他圈子。 例如，數學家萊斯利·科姆裡 (Leslie Comrie) 1946 年參觀摩爾學校後，帶回了一本帶回英國的家，並與同事分享。 報告的傳播激怒了埃克特和莫奇利，原因有二：首先，報告將大部分功勞歸功於草案的作者馮諾依曼。 其次，該系統中包含的所有主要想法實際上都是從專利局的角度發布的，這幹擾了他們將電子電腦商業化的計劃。
埃克特和莫奇利的怨恨的根源反過來又引起了數學家馮諾依曼、戈德斯坦和伯克斯的憤慨。 他們認為，該報告是重要的新知識，需要以科學進步的精神盡可能廣泛傳播。 此外，整個企業都是由政府資助的，因此是以美國納稅人的利益為代價的。 他們對埃克特和莫奇利試圖從戰爭中賺錢的商業主義感到排斥。 馮諾依曼寫道：“如果我知道自己正在為商業集團提供諮詢，我永遠不會接受大學諮詢職位。”
1946 年，兩派分道揚鑣：埃克特和莫奇利基於一項看似更安全的 ENIAC 技術專利開設了自己的公司。 他們最初將公司命名為電子控制公司，但第二年更名為埃克特-莫奇利電腦公司。 馮諾依曼回到 IAS 建造了一台基於 EDVAC 的計算機，Goldstein 和 Burks 也加入其中。 為了防止埃克特和莫奇利的情況重演，他們確保新項目的所有智慧財產權都成為公共領域。
馮諾依曼在 1951 年建造的 IAS 計算機前。
獻給艾倫·圖靈的靜修所
以迂迴方式看到EDVAC報告的人中就有英國數學家阿蘭·圖靈。 圖靈並不是第一批創造或想像自動計算機（無論是電子計算機還是其他計算機）的科學家之一，一些作者極大地誇大了他在計算史上的作用。 然而，我們必須讚揚他是第一個認識到計算機不僅僅可以通過簡單地處理大量數字序列來“計算”某些東西的人。 他的主要思想是，人類大腦處理的資訊可以用數字的形式表示，因此任何心理過程都可以轉化為計算。
艾倫‧圖靈於 1951 年
1945年底，圖靈發表了自己的報告，其中提到了馮·諾依曼，題為“電子計算器的提案”，供英國國家物理實驗室（NPL）使用。 他並沒有深入研究擬議電子計算機設計的具體細節。 他的圖表反映了邏輯學家的思想。 它並不打算為高級功能提供特殊的硬件，因為它們可以由低級原語組成； 這對於汽車美麗的對稱性來說是一個醜陋的增長。 圖靈也沒有為電腦程式分配任何線性記憶體——資料和指令可以在記憶體中共存，因為它們只是數字。 指令只有在被解釋為指令時才成為指令（圖靈1936 年的論文「論可計算數」已經探討了靜態資料和動態指令之間的關係。他描述了後來被稱為「圖靈機」的東西，並展示了它如何可以變成一個數字並作為輸入提供給能夠解釋和執行任何其他圖靈機的通用圖靈機）。 因為圖靈知道數字可以代表任何形式的明確指定的信息，所以他在這台計算機上要解決的問題清單中不僅包括了砲兵表的構造和線性方程組的求解，還包括了謎題和數學問題的解決。國際象棋研究。
自動圖靈引擎（ACE）從未以其原始形式建構。 它太慢了，不得不與更渴望的英國計算項目競爭最優秀的人才。 該計畫停滯了幾年，然後圖靈就失去了興趣。 1950 年，NPL 製造了 Pilot ACE，這是一款設計稍有不同的較小機器，其他幾款電腦設計也從 1950 世紀 XNUMX 年代初的 ACE 架構中汲取了靈感。 但她沒能擴大自己的影響力，很快就被人們遺忘了。
但這一切並沒有削弱圖靈的優點，它只是有助於把他放在正確的背景下。 他對電腦歷史的影響的重要性不是基於 1950 世紀 1960 年代的電腦設計，而是基於他為 XNUMX 年代出現的電腦科學提供的理論基礎。 他早期的數理邏輯著作探索了可計算和不可計算的界限，成為這門新學科的基礎文本。
緩慢的革命
隨著ENIAC和EDVAC報告的消息傳開，摩爾的學校成了朝聖地。 許多遊客來到大師的腳下學習，尤其是來自美國和英國的遊客。 為了簡化申請者的流程，1946 年，學校院長必須組織一所關於自動電腦的暑期學校，並透過邀請進行工作。 埃克特、莫奇利、馮諾依曼、伯克斯、戈德斯坦和霍華德艾肯（哈佛 Mark I 機電計算機的開發者）等傑出人物發表了演講。
現在幾乎每個人都想根據EDVAC 報告中的指令來建立機器（諷刺的是，第一台運行儲存在記憶體中的程式的機器是ENIAC 本身，它在1948 年被轉換為使用儲存在記憶體中的指令。直到那時它才開始在其新家阿伯丁試驗場成功工作）。 甚至 1940 世紀 50 年代和 XNUMX 年代創建的新電腦設計的名稱也受到 ENIAC 和 EDVAC 的影響。 即使你不考慮 UNIVAC 和 BINAC（由 Eckert 和 Mauchly 的新公司創建）以及 EDVAC 本身（在其創始人離開後在摩爾學院完成），仍然有 AVIDAC、CSIRAC、EDSAC、FLAC、 ILLIAC、JOHNNIAC、ORDVAC、SEAC 、SILLIAC、SWAC 和WEIZAC。 他們中的許多人利用馮諾依曼關於智慧財產權的開放政策，直接複製了免費發布的IAS設計（稍作修改）。
然而，電子革命逐漸發展，逐步改變現有秩序。 第一台 EDVAC 式機器直到 1948 年才出現，它只是一個小型概念驗證項目，是一個曼徹斯特“嬰兒”，旨在證明內存的可行性 （大多數電腦從水銀管改用另一種類型的記憶體，這也歸功於雷達技術。只是它沒有使用電子管，而是使用了CRT 螢幕。英國工程師弗雷德里克·威廉姆斯（Frederick Williams）是第一個弄清楚如何使用該記憶體的穩定性，因此驅動器獲得了他的名字）。 1949 年，又創建了四台機器：全尺寸的曼徹斯特 Mark I、劍橋大學的 EDSAC、雪梨（澳洲）的 CSIRAC 和美國的 BINAC - 儘管後者從未投入運作。 小而穩定 持續了接下來的五年。
一些作者形容 ENIAC 彷彿為過去拉上了帷幕，讓我們立即進入了電子計算時代。 正因為如此，真實的證據被大大扭曲了。 「全電子ENIAC 的出現幾乎立即使Mark I 過時了（儘管它在十五年後繼續成功運行），」凱瑟琳·戴維斯·菲什曼（Katherine Davis Fishman）在《計算機機構》（1982 年）中寫道。 這種說法顯然是自相矛盾的，以至於人們會認為菲什曼小姐的左手不知道她的右手在做什麼。 當然，你可以將其歸因於一位普通記者的筆記。 然而，我們發現一些真正的歷史學家再次選擇馬克一號作為他們的替罪羊，寫道：「哈佛馬克一號不僅是技術上的死胡同，而且在其十五年的運行過程中根本沒有做任何有用的事情。 它被用於多個海軍項目，事實證明該機器足夠有用，海軍可以為艾肯實驗室訂購更多計算機。」[Aspray 和 Campbell-Kelly]。 又是一個明顯的矛盾。
事實上，繼電器電腦有其優勢，並繼續與它們的電子表兄弟一起工作。 第二次世界大戰後，即使在 1950 世紀 150 年代初，日本就誕生了多種新型機電計算機。 中繼機更容易設計、建造和維護，並且不需要那麼多的電力和空調（以消散數千個真空管發出的大量熱量）。 ENIAC 使用 20 千瓦電力，其中 XNUMX 千瓦用於冷卻。
美國軍方仍然是運算能力的主要消費者，並沒有忽略「過時」的機電模型。 1940 世紀 1949 年代末，陸軍擁有四台中繼計算機，海軍擁有五台。 阿伯丁的彈道研究實驗室擁有世界上最集中的運算能力，擁有 ENIAC、貝爾和 IBM 的繼電器計算器以及老式的差分分析儀。 在 XNUMX 年 XNUMX 月的報告中，每一個都被賦予了自己的位置：ENIAC 在長而簡單的計算中效果最好； 貝爾的 V 型計算器由於其幾乎無限長度的指令帶和浮點功能，更擅長處理複雜的運算，而 IBM 可以處理儲存在穿孔卡上的大量資訊。 同時，某些操作（例如求立方根）仍然更容易手動完成（使用電子表格和桌面計算器的組合）並節省機器時間。
電子運算革命結束的最佳標誌不是 1945 年 ENIAC 誕生，而是 1954 年 IBM 650 和 704 計算機出現。這些不是第一台商用電子計算機，但它們是第一台，在數百人，並決定了IBM在電腦產業持續三十年的統治地位。 術語方面 電子計算機不再是 1940 世紀 XNUMX 年代的奇怪現象，只存在於像阿塔納索夫和莫奇利這樣的被遺棄者的夢想中； 它們已成為常規科學。
許多 IBM 650 電腦中的一台 — 在本例中是德州 A&M 大學的範例。 磁鼓記憶體（底部）使其速度相對較慢，但也相對便宜。
離開巢穴
到 1950 年代中期，數位運算設備的電路和設計已經擺脫了類比開關和擴大機的束縛。 1930 世紀 40 年代和 XNUMX 年代初期的電腦設計在很大程度上依賴物理和雷達實驗室的想法，尤其是電信工程師和研究部門的想法。 現在，電腦已經組織了自己的領域，該領域的專家正在開發自己的想法、詞彙和工具來解決自己的問題。
計算機以其現代意義出現，因此我們的 即將結束。 然而，電信世界還有另一張有趣的王牌。 真空管超越了繼電器，因為它沒有移動部件。 我們歷史上最後一次繼電器的優點是完全沒有任何內部零件。 由於一種被稱為「固態」的電子學新分支，這種看似無害、內部伸出幾根電線的物質塊已經出現。
儘管真空管速度很快，但它們仍然昂貴、龐大、發熱，而且不是特別可靠。 用它們製造筆記型電腦是不可能的。 馮·諾依曼 (Von Neumann) 在 1948 年寫道：“只要我們被迫應用當前的技術和理念，我們的開關數量就不可能超過 10 個（或者可能是數萬個）。” 固態繼電器使電腦能夠一次又一次地突破這些限制，並不斷突破它們。 可用於小型企業、學校、家庭、家用電器並可放入口袋； 創造一個神奇的數位土地，滲透到我們今天的生活中。 為了找到它的起源，我們需要將時鐘倒回五十年前，回到無線技術有趣的早期。
還有什麼要讀的：
- David Anderson，“曼徹斯特嬰兒是在布萊切利公園受孕的嗎？”，英國計算機協會（4 年 2004 月 XNUMX 日）
- William Aspray、約翰‧馮‧諾依曼與現代計算的起源 (1990)
- Martin Campbell-Kelly 和 William Aspray，電腦：資訊機器的歷史 (1996)
- 托馬斯·海格等。 等人，Eniac 在行動 (2016)
- 約翰·馮·諾依曼，《EDVAC 報告初稿》（1945 年）
- 艾倫·圖靈，《提議的電子計算器》（1945）
來源： www.habr.com